Selbstentwickelte Schlüsselchips für die Photonenzählung in der gesamten Industriekette. "Parity Electronics" hofft, die Einführung der Photonenära in der medizinischen und industriellen Detektion zu beschleunigen | Frühestadiumsprojekt
Text | Zhang Bingbing
Redaktion | A Zhi
Frühe Krankheitsherde im menschlichen Körper, sich schnell bewegende Hindernisse beim Fahrzeugfahren, die Oberflächenspannungszustände von Materialien – diese Informationen, die früher schwer zu erfassen waren, können dank der Entwicklung der Photonendetektionstechnologie hoffentlich deutlicher und effizienter "gesehen" werden.
Nehmen wir die medizinische Bildgebung mit CT-Scans als Beispiel. Traditionelle CT-Detektoren arbeiten nach dem Prinzip der "indirekten Messung". Sie müssen zunächst Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandeln und dann in elektrische Signale. Dieser Prozess führt leicht zum Informationsverlust und zur Überlagerung von Rauschen. Photonenzählende CT-Scanner hingegen verwenden Halbleiterdetektoren wie Tiefen-Silizium, Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) und Cadmiumtellurid (CdTe), die eine "direkte Umwandlung" von Röntgenstrahlen in elektrische Signale ermöglichen. Sie können einzelne Röntgenphotonen präzise zählen und deren Energie bestimmen.
Photonenzählende Detektoren verzichten auf Szintillationskristalle und integrieren einen pixelweisen Ausleseschaltkreis. Dadurch wird die optische Übersprechung verringert, und es können kleinere Pixel für die Detektion verwendet werden, was die Detektionsgenauigkeit und -empfindlichkeit erheblich verbessert. Darüber hinaus können photonenzählende Detektoren einzelne Röntgenphotonen zählen, ohne dass eine Ladungsintegration erforderlich ist. Dies führt zu einer erheblichen Beschleunigung der Bildgebung, und die Bildwiederholrate kann Tausende oder sogar Zehntausende von Bildern pro Sekunde (fps) erreichen.
Für medizinische CT-Untersuchungen bedeutet dies eine höhere Genauigkeit und eine geringere Strahlenexposition. Derzeit befinden sich photonenzählende CT-Scanner von Siemens, Canon, Neusoft Medical, United Imaging und anderen Herstellern bereits in der kommerziellen Phase.
Hohe Genauigkeit und Integrationsdichte kennzeichnen die ASIC-Auslesechips, die Kernkomponenten photonenzählender CT-Scanner sind. Es müssen verschiedene Schaltkreise in jedem Pixel platziert werden, um die Zählung und Energiebestimmung durchzuführen. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die Pixel nicht miteinander interferieren und dass sie den verschiedenen elektrischen Eigenschaften der Kristalle angepasst sind. Nur wenige Teams weltweit sind in der Lage, dies zu realisieren.
Das Unternehmen "Parity Electronics" wurde 2017 gegründet und konzentriert sich auf die Entwicklung von Ein-Photon-Sensorelementen und Ausleseschaltkreisen. Dies umfasst SPADs, SiPMs, hochpräzise Ein-Photon-Signalverarbeitungschips ASIC und entsprechende Systemlösungen. Die Produkte können in Bereichen wie medizinischer Bildgebung, industrieller Inspektion und intelligenter Sensorik eingesetzt werden. Bereits mehrere Produkte sind in der Praxis im Einsatz.
I. Von der medizinischen Bildgebung zur industriellen Inspektion: Photonendetektion verbessert die Bildgebungseffizienz
Zu den Hauptprodukten von "Parity Electronics" im Bereich der Hochenergie-Strahlen Detektion gehören das MPI501 Röntgen-Photonenzähl-Detektormodul und der MPT3128 Spektrum-Röntgendetektor-Signalauslesechip. Das MPI501 Röntgen-Photonenzähl-Detektormodul besteht aus einem ASIC (Signalverarbeitung) und einem Sensorchip (Photoelektrische Umwandlung). Es ist ein Modul für die Röntgendetektion, das fast 10.000 unabhängige Pixel pro Chip hat und eine Detektion auf Ein-Photon-Ebene ermöglicht. Der ASIC kann mit verschiedenen Sensormaterialien kombiniert werden. In Kombination mit CZT kann es für die Detektion von hochenergetischen Röntgenphotonen verwendet werden. In Kombination mit Silizium-Sensorchips eignet es sich für die Materialprüfung, Spannungsprüfung, XRF-Bildgebung und andere Anwendungen.
Der MPT3128 Spektrum-Röntgendetektor-Signalauslesechip integriert 128 unabhängige Kanäle und unterstützt die Sammlung von Signalen mit positiver und negativer Polarität. In Kombination mit CZT-Kristallen kann er Gamma-Strahlen bis zu einer Energie von 3 MeV aufzeichnen. Die Energieauflösung des 511 keV-Energiepeaks kann 1 % erreichen. Es ist ein Auslesechip für CZT-Detektoren mit einer Spitzenintegrationsdichte in der Branche.
Der MPT3128-Chip von "Parity Electronics"
Die Leistungsfähigkeit der Chipmodule zeigt sich in der Verbesserung der Leistung der Endprodukte. Im medizinischen Bereich ist die Zeitauflösung ein Schlüsselkriterium für PET-CT-Untersuchungen. Je kleiner die Zeitauflösung, desto höher ist die Genauigkeit der PET-CT-Detektion und desto geringer ist die Strahlenexposition durch die verwendeten Radiopharmaka.
Der CEO von "Parity Electronics", Shen Xinjia, erklärt, dass die Zeitauflösung (CTR) von PET-CT-Geräten, die mit den Chips von "Parity Electronics" ausgestattet sind, weniger als 180 Pikosekunden betragen kann. "Für jede medizinische Bildgebungskompanie, die PET-CT-Geräte herstellt, ist der Chip der Kernbestandteil. Dieser Chip bestimmt die Leistungsgrenze des Geräts. Die von uns angebotenen Chips sind in Bezug auf Integrationsdichte, Verarbeitungsleistung, Störungsfestigkeit, Stromverbrauch und andere Kriterien weltweit führend. Eine Zeitauflösung von weniger als 180 Pikosekunden für das gesamte Gerät ist ein absoluter Vorteil. Wir haben bereits entsprechende Lösungen sowohl für die indirekte Photonendetektion mit Szintillationskristallen wie LYSO als auch für die direkte Photonenzählung mit Kristallen wie CZT vorbereitet."
Im Bereich der industriellen Inspektion verfügen photonenzählende Detektoren über Spektralfähigkeiten. Sie können die Signale nach Energie-Schwellwerten klassifizieren und zählen, wodurch die Signale unterschiedlicher Materialien, die in herkömmlichen Röntgenbildern vermischt sind, getrennt werden können.
"Einfach ausgedrückt, liefert die herkömmliche Röntgenbildgebung ein Dichtebild. Aufgrund unterschiedlicher Transmissionsraten und Dichten entsteht ein Graustufenbild. Die Photonendetektion hingegen kann die Elemente schnell identifizieren und quantitativ analysieren, indem sie die Sprungenergien an den Absorptionskanten K, L usw. des Materials misst und die Beziehung zwischen der Absorptionskantenenergie und der Ordnungszahl der Elemente nutzt." Shen Xinjia gibt das Beispiel der Sicherheitskontrolle an Flughäfen. Die herkömmliche Röntgen-Sicherheitskontrolle kann zwischen Metallen (hohe Dichte) und organischen Materialien (niedrige Dichte) unterscheiden. Die photonenzählende Sicherheitskontrolle hingegen kann die metallische Zusammensetzung eines Gegenstands (z. B. seltene Metalle) genau bestimmen und so verdächtige Gegenstände aussortieren.
In der industriellen Schadstofffreien Prüfung, wie z. B. der Spannungsprüfung und der Prüfung von Elektromobilitätsbatterien, ermöglicht diese Eigenschaft genauere Messdaten und eine vereinfachte Prüfprozedur.
II. Anpassung an den Industriewachstumsrhythmus und Förderung der Massenproduktion
Aufgrund des Marktpotenzials und des Entwicklungsstands der Branche verfolgt "Parity Electronics" unterschiedliche Produkt- und Marktstrategien für die medizinischen und industriellen Märkte. Shen Xinjia erklärt, dass im Bereich der medizinischen Bildgebung die Bildgebungsschnelligkeit und die Energieintegration im Vordergrund stehen. Das Ziel ist die Erforschung der physikalischen Grenzen mit großen Bildgebungsgeräten. Die Technologie für die Endgeräte in diesem Bereich ist bereits relativ ausgereift, aber die Entwicklung von chinesischen Detektorchips hinkt noch hinterher. Deshalb konzentriert sich "Parity Electronics" stärker auf die chinesische Substitution von Materialien und Chips. Derzeit arbeitet das Unternehmen bereits intensiv mit großen Kunden für photonenzählende CT-Scanner zusammen und hat die Massenproduktion und einen Umsatz im Millionenbereich erreicht.
Vergleich von CT-Bildern des Steigbügels (das kleinste Knochen im menschlichen Körper)
Im Bereich der industriellen Inspektion gibt es zahlreiche Anforderungen, von der Spannungsprüfung und der schadstofffreien Prüfung von Defekten bis hin zur Prüfung von Elektromobilitätsbatterien und der Bergbauerkundung. Der Schwerpunkt liegt auf der Lösung konkreter Prüfprobleme mit Detektorchips. Da die Technologie auf der Nachbarschaftsseite der Branche noch in der Erprobungsphase ist, bietet "Parity Electronics" nicht nur Chipmodule, sondern auch Algorithmen und andere Lösungen, um die Nachbarschaftsunternehmen bei der schnellen Übernahme der Ein-Photon-Technologie zu unterstützen.
"Im Bereich der Prüfung von Elektromobilitätsbatterien haben wir in den letzten Zeit einige bahnbrechende Fortschritte bei der Prüfung von Prozessen wie der Beschichtung und Walzung der Elektrodenbänder erzielt und sind bereits in die Engineering- und Pilotproduktionsphase eingetreten. Darüber hinaus haben wir im Bereich der Prüfung der Oberflächenspannung von Metallen gemeinsam mit unseren Kunden die vollständige Autonomie des Spannungsmessgeräts von Chip, Modul bis hin zum Endgerät erreicht. Das Gerät hat die nationale technische Prüfung bestanden und ist nun auf dem Weg zur Massenproduktion und Industrialisierung." Shen Xinjia resümiert.
Der Bericht "Entwicklung und Anwendung von Informationsphotoniktechnologien (2024)" des China Academy of Information and Communications Technology zeigt, dass der globale Photonikmarkt (einschließlich Information und Energie, Kernchips, Bauelemente und Materialien, Modulen und Systemprodukten) im Jahr 2023 nach Schätzungen von Photonics21 und anderen Datenquellen einen Volumen von etwa 920 Milliarden US-Dollar erreichte. Darunter betrug der Markt für optische Rechen- und Speichersysteme etwa einige Milliarden US-Dollar, der Markt für optische Verbindungen etwa einige hundert Milliarden US-Dollar, und der Markt für optische Erfassung und Darstellung etwa einige Milliarden US-Dollar. Angesichts des Wachstums der KI-Industrie wird erwartet, dass der Marktvolumen bis 2027 auf 1,2 Billionen US-Dollar steigen wird.
Was die zukünftigen Wachstumschancen und die Konkurrenz internationaler Großkonzerne betrifft, sieht Shen Xinjia die Kernkompetenz von "Parity Electronics" in der "besseren Kenntnis der Physik". Kristallmaterialien wie Cadmium-Zink-Tellurid und Cadmiumtellurid haben unter Röntgenstrahlung einzigartige physikalische Eigenschaften. Die Schlüsselfrage besteht darin, wie man auf der Grundlage dieser physikalischen Eigenschaften die Schaltkreise entwirft. "Unsere Standpunkt ist, dass der Chip mit dem Material und dem System 'zusammenwachsen' muss. Der Chip muss in jedem Verfahrensschritt für das Gesamtsystem arbeiten, anstatt dass das Material und das System sich an den Chip anpassen müssen. Dank dieser Fähigkeit zur tiefen Kopplung sind wir bereits ein zentraler Knotenpunkt in der Wertschöpfungskette und arbeiten gemeinsam mit anderen Unternehmen in der Kette an echten systemweiten Innovationen."
In Bezug auf die zukünftige Entwicklung wird "Parity Electronics" die Expansion seiner Kundenbasis in den medizinischen und industriellen Bereichen vorantreiben und die Einführung seiner Produkte in den Bereich der Lidar-Sensoren für Fahrzeuge beschleunigen. Es wird erwartet, dass der Umsatz in den kommenden Jahren jährlich um etwa 50 % wachsen wird.
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Darüber hinaus hat 36Kr in diesem Jahr das "36Kr Corporate Investment Guide" offiziell veröffentlicht. Basierend auf seiner tiefen Kenntnis der Wirtschaftsbranchen, der regionalen Entwicklungsprojekte und der Investitionsförderung bietet 36Kr umfassende, aktuelle und exklusive Informationen an Regierungsbehörden an, um ihnen bei der effizienten und präzisen Identifizierung von Industrieprojekten zu helfen. Gleichzeitig unterstützt es die Projektbetreiber bei der Suche nach Investitionskapital, der Vernetzung mit Schlüsselpersonen und der Integration in neue Industriekooperationen.
Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account "36Kr Future Industries". Autoren: Zhang Bingbing, A Zhi. 36Kr hat die Veröffentlichung mit Genehmigung durchgeführt.